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2026年9月1日,复旦大学附属中山医院、上海市心血管病研究所葛均波院士、张峰、曹嘉添团队与中国科学技术大学附属第一医院Ji’e Yang团队等,在Journal of Pharmaceutical Analysis(JPA,中科院1区,期刊官网显示影响因子为11.2)发表题为“Tectorigenin reprograms macrophages through targeting OXCT1-mediated ketone metabolism to suppress IFN-I signaling and ameliorate myocardial ischemia-reperfusion injury”的研究论文。Rong Huang、Jian Zhang 和 Jiayu Liang 为共同第一作者,Jiatian Cao、Ji’e Yang 和 Feng Zhang 为共同通讯作者。该论文于2026年3月5日投稿,2026年8月31日修回并于同日接收。
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该研究聚焦心肌缺血/再灌注(I/R)后的巨噬细胞炎症反应,系统揭示了天然异黄酮成分鸢尾黄素(tectorigenin,TEC)的心肌保护机制。研究发现,TEC可直接结合酮体分解代谢关键酶3-氧代酸辅酶A转移酶1(OXCT1)的TRP413位点,促进OXCT1经溶酶体途径降解,从而提高巨噬细胞内酮体水平。升高的β-羟基丁酸和乙酰乙酸可降低活性氧生成、增强 Bhlhe41 mRNA稳定性,并通过BHLHE41抑制 Ifih1 转录,阻断MDA5-TBK1-IRF3介导的I型干扰素信号。髓系细胞特异性敲除 Oxct1 能够重现TEC的保护效应,且敲除后TEC不再产生额外保护作用,进一步验证了OXCT1是其发挥作用的关键靶点。
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【摘 要】
心肌缺血/再灌注(ischemia/reperfusion,I/R)损伤仍是急性心肌梗死治疗中尚未解决的关键难题。再灌注后,巨噬细胞发生代谢和功能重编程,由此驱动的炎症反应可进一步加重心肌损伤。
本研究发现,射干来源的活性成分鸢尾黄素(tectorigenin,TEC)可通过靶向巨噬细胞介导的炎症反应,对心肌I/R损伤产生显著保护作用。TEC能够明显改善心功能、缩小心肌梗死面积并抑制心肌细胞凋亡。RNA测序(RNA sequencing,RNA-seq)结果显示,I型干扰素(type I interferon,IFN-I)信号通路是TEC发挥作用的关键靶点。
机制研究表明,TEC可降低巨噬细胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平,并上调转录抑制因子碱性螺旋-环-螺旋家族成员e41(basic helix-loop-helix family member e41,BHLHE41)。随后,BHLHE41抑制细胞质RNA传感器黑色素瘤分化相关蛋白5(melanoma differentiation-associated protein 5,MDA5,由 Ifih1 编码)的表达,阻断其下游TANK结合激酶1(TANK-binding kinase 1,TBK1)和干扰素调节因子3(interferon regulatory factor 3,IRF3)的激活,从而减少IFN-β产生。
此外,多种相互独立的验证方法共同表明,酮体代谢关键酶3-氧代酸辅酶A转移酶1(3-oxoacid CoA-transferase 1,OXCT1)是TEC的直接作用靶点,其中TRP413是关键结合残基。TEC与OXCT1结合后,可促进OXCT1经溶酶体途径降解,提高细胞内酮体水平。升高的酮体进一步增强 Bhlhe41 信使RNA(messenger RNA,mRNA)的稳定性,并抑制MDA5依赖的IFN-I信号。补充外源性酮体可以模拟上述作用,而敲低 Oxct1 或 Bhlhe41 则进一步证实了二者在调控巨噬细胞活化中的关键作用。
综上,本研究揭示了一条调控I/R损伤期间IFN-I驱动型炎症反应的新型巨噬细胞OXCT1-BHLHE41-MDA5轴,提示TEC具有潜在的治疗开发价值,并表明酮体代谢可能成为心肌保护的新靶点。
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01
研究背景及科学问题
急性心肌梗死(myocardial infarction,MI)治疗的首要目标是尽快恢复冠状动脉血流,从而限制梗死范围扩大并改善临床结局。然而,再灌注虽然有助于挽救缺血心肌,却也可能直接造成组织损伤。心肌缺血/再灌注损伤会增加心肌梗死患者的发病和死亡风险,并削弱再灌注治疗带来的整体临床获益。近年来,人们对心肌I/R损伤病理过程及分子机制的认识仍在不断深化。
越来越多的证据表明,免疫反应是心肌I/R损伤过程中不可或缺的核心调节因素。在缺氧和复氧过程中,受损心肌可迅速激活并募集先天性和适应性免疫细胞。Toll样受体、维甲酸诱导基因I(retinoic acid-inducible gene I,RIG-I)样受体等模式识别受体(pattern recognition receptors,PRRs)以及补体系统的激活,可促进促炎介质产生,进而驱动早期炎症反应和后期病理性心肌重构。因此,在适当的治疗时间窗内调控免疫反应,可能有效减轻I/R损伤。巨噬细胞同时参与心肌梗死后的损伤与修复过程。由于巨噬细胞数量丰富且具有较强的表型可塑性,因此是减轻心肌损伤的重要潜在治疗靶点。
再灌注可加速C-C基序趋化因子受体2阳性(CCR2⁺)巨噬细胞向心肌梗死后的受损心肌募集。这些细胞通常在I/R后24小时内出现,于约第3天达到峰值,并在第7~14天逐渐减少。随着研究不断深入,巨噬细胞代谢重编程与免疫功能之间的协调关系正日益受到关注。心肌梗死期间急性动员的炎症性单核细胞及其分化形成的CCR2⁺巨噬细胞主要依赖糖酵解供能。
炎症性CCR2⁺巨噬细胞还表现出三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)和氧化磷酸化受损,由此导致可调控细胞行为的TCA循环代谢物积累。例如,琥珀酸和衣康酸可分别产生促炎和抗炎作用;富马酸也被证明能够调节巨噬细胞中白细胞介素-10(interleukin-10,IL-10)和IFN-I等细胞因子的产生。
不过,目前针对酮体代谢如何调控巨噬细胞极化的系统研究仍然较少。酮体主要包括β-羟基丁酸(β-hydroxybutyrate,β-HB)、乙酰乙酸(acetoacetate,AcAc)和丙酮,其中β-HB约占循环酮体总量的70%。β-HB可通过修饰信号转导及转录激活因子1(signal transducer and activator of transcription 1,STAT1)抑制M1型巨噬细胞极化。β-HB预处理还可通过沉默信息调节因子1(sirtuin 1,SIRT1)-叉头框蛋白O3(forkhead box O3,FOXO3)信号通路减轻肺泡巨噬细胞焦亡,从而缓解肺I/R损伤。
酮体代谢也是心脏生理活动的重要组成部分。再灌注期间抑制脂肪酸氧化并促进葡萄糖氧化,可提高心肌能量利用效率并促进心功能恢复。此外,酮体能够促进糖酵解与葡萄糖氧化之间的偶联,提高再灌注期间的心肌氧利用效率。长期提高循环酮体水平还可以抑制心力衰竭进展,这一作用至少部分归因于β-HB本身具有的抗炎特性。上述研究说明,酮体代谢可能是巨噬细胞功能的重要上游调节因素,靶向这一代谢过程或可通过调控巨噬细胞减轻心肌I/R损伤。
天然产物因具有多样的生物活性和相对良好的安全性,长期以来一直是心血管药物的重要来源。鸢尾黄素是一种来源于射干(Belamcanda chinensis)的异黄酮类成分,具有抗炎、抗增殖及改善血管内皮功能等作用。既往研究显示,TEC可减轻干扰素-γ(IFN-γ)/脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的RAW264.7细胞炎症反应,还可调节腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)信号通路,改善糖尿病心肌病小鼠的心功能障碍。
然而,目前尚无研究明确报道TEC能否改善心肌I/R损伤。基于TEC的抗炎作用,研究人员推测,TEC可能通过调控I/R后心肌组织中的炎症反应减轻心肌损伤。为明确TEC在心肌I/R损伤中的功能,研究人员建立了标准小鼠心肌I/R模型,分别给予生理盐水或TEC干预,并结合体外细胞实验分析其潜在药理靶点和作用机制。
02
重要发现及亮点
鸢尾黄素改善心肌功能并减轻I/R诱导的心肌细胞凋亡
TEC是射干中的活性成分之一,其化学结构见图1A。为评价TEC在心肌梗死血运重建过程中的心肌保护作用,研究人员将小鼠随机分为假手术组和心肌I/R手术组,并设置12.5、25和50 mg/kg三个TEC剂量。通过酶联免疫吸附试验(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)检测循环乳酸脱氢酶(LDH)、肌酸激酶同工酶MB(CK-MB)和心肌肌钙蛋白T(cTnT)水平。结果显示,50 mg/kg TEC对上述心肌损伤标志物升高的抑制作用最明显,因此后续动物实验均采用该剂量。
术后第3天的超声心动图显示,与假手术组相比,I/R组小鼠的左心室射血分数(LVEF)和左心室短轴缩短率(LVFS)均显著下降,而TEC治疗能够明显改善这两项指标。术后第3天进行TTC-Evans Blue双重染色发现,尽管各组危险区面积相近,但TEC组梗死面积/危险区面积(IA/AAR)比值显著低于I/R对照组。
术后第7天的Masson和天狼星红染色显示,与I/R组相比,TEC可减少心肌胶原沉积和纤维化面积。术后第3天左心室组织TUNEL染色显示,TEC组的TUNEL阳性细胞核明显少于I/R对照组。与此同时,TEC组左心室组织中的凋亡相关蛋白cleaved caspase-3和BAX表达显著降低。上述结果表明,TEC能够改善I/R导致的心功能受损,并减轻过度的心肌细胞凋亡。
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图1:鸢尾黄素(TEC)治疗减轻心肌缺血/再灌注(I/R)损伤。(A)TEC的化学结构式。(B、C)不同干预组心脏收缩功能的超声心动图分析:具有代表性的左心室射血分数(LVEF)和左心室短轴缩短率(LVFS)超声心动图(B);I/R或假手术后第3天,生理盐水或TEC(50 mg/kg)处理小鼠LVEF和LVFS的统计学定量结果(C)(n=7~18)。(D、E)采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)-Evans Blue双重染色评价心肌梗死面积:缺血心肌的代表性染色图像(D);I/R后第3天小鼠左心室危险区(AAR)和梗死区(IA)所占比例的定量分析(E)(n=6)。(F、G)采用组织学染色检测梗死后心肌纤维化:心脏组织切片Masson染色和天狼星红染色的代表性全景及高倍图像(F);I/R后第7天小鼠左心室纤维化面积比例的统计分析(G)(n=4)。(H、I)采用免疫荧光染色检测心肌细胞凋亡:脱氧核糖核苷酸末端转移酶介导的缺口末端标记(TUNEL,绿色)和4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI,蓝色)共染心肌组织的代表性共聚焦图像(H);I/R或假手术后第3天,生理盐水或TEC处理小鼠心肌细胞凋亡比例的定量统计结果(I)(n=4)。(J、K)采用Western blot验证凋亡相关蛋白表达:心肌组织裂解物中B细胞淋巴瘤2相关X蛋白(BAX)和cleaved caspase-3的代表性免疫印迹图像(J);I/R或假手术后第3天,生理盐水或TEC处理小鼠心脏中BAX和cleaved caspase-3表达的定量统计分析(K)(n=6)。所有图表数据均以均值±均值标准误(SEM)表示。*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,****P<0.0001;ns表示差异无统计学意义。
TEC以巨噬细胞依赖的方式减轻心肌炎症和损伤
心脏切片苏木精-伊红(H&E)染色显示,TEC显著减少了I/R后心肌受损区域内浸润的炎症免疫细胞。I/R后第3天,对左心室免疫细胞进行流式细胞术分析发现,与I/R对照组相比,TEC显著减少了CD45⁺总白细胞、Ly6C⁺单核细胞以及单核细胞来源巨噬细胞的数量,但两组心肌中性粒细胞浸润水平的差异无统计学意义。
进一步的亚群分析显示,TEC组F4/80⁺CD206⁻促炎型巨噬细胞浸润减少,而F4/80⁺CD206⁺修复型巨噬细胞比例增加。ELISA结果还显示,TEC组小鼠血清IL-6、IL-1β和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)水平均显著低于I/R组。
为判断TEC的保护作用是否依赖巨噬细胞,研究人员皮下注射氯膦酸二钠脂质体(clodronate liposomes,CLO)清除巨噬细胞。流式细胞术结果显示,与I/R对照组相比,CLO使骨髓巨噬细胞和左心室巨噬细胞分别减少33.5%和22.3%。TEC联合CLO组的巨噬细胞清除程度与CLO单独处理组相近。
在巨噬细胞被清除后,TEC不能再显著改善LVEF和LVFS。TTC-Evans Blue染色显示,CLO组与CLO联合TEC组之间的AAR/LV及IA/AAR比值均无显著差异。Masson和天狼星红染色显示,两组胶原阳性纤维化面积比例无显著差异;TUNEL阳性细胞核比例以及cleaved caspase-3和BAX蛋白水平同样未出现明显变化。这些结果表明,TEC的抗炎和心肌保护作用在很大程度上依赖巨噬细胞。
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图2:鸢尾黄素(TEC)减轻缺血/再灌注(I/R)后的巨噬细胞介导性炎症反应。(A)假手术或I/R后第3天,生理盐水或TEC处理小鼠心脏切片H&E染色的代表性组织病理学图像。(B)I/R后第3天,对左心室中的CD45⁺细胞、中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞抗原6复合物C位点阳性(Ly6C⁺)单核细胞进行定量分析(n=6)。(C、D)I/R小鼠心肌免疫细胞的免疫荧光染色:心脏组织切片中CD45、淋巴细胞抗原6复合物G位点(Ly6G)、Ly6C和CD68(绿色)的代表性图像(C);I/R后第3天小鼠左心室中上述免疫细胞标志物阳性染色面积的定量统计结果(D)(n=5)。(E)生理盐水或TEC处理的I/R小鼠中,左心室CD45⁺细胞内促炎型巨噬细胞(CD45⁺CD11b⁺Ly6G⁻Ly6C⁺F4/80⁺CD206⁻)和修复型巨噬细胞(CD45⁺CD11b⁺Ly6G⁻Ly6C⁺F4/80⁺CD206⁺)的比例(n=6)。(F)采用氯膦酸二钠脂质体(CLO)清除巨噬细胞,以评价TEC是否仍能发挥心肌保护作用的实验示意图。小鼠皮下注射35 μg/g CLO,分别于手术前24小时和手术后24小时各给药1次。(G)不同组I/R小鼠骨髓和左心室中CD11b/F4/80细胞的代表性流式细胞术图,包括I/R组、I/R+CLO组和I/R+CLO+TEC组。(H、I)不同干预组心脏收缩功能的超声心动图分析:具有代表性的LVEF和LVFS超声心动图(H);I/R后第3天,CLO或CLO+TEC处理小鼠LVEF和LVFS的统计学定量结果(I)(n=6)。(J、K)采用TTC-Evans Blue双重染色评价心肌梗死面积:缺血心肌的代表性染色图像(J);I/R后第3天,CLO或CLO+TEC处理小鼠左心室AAR和IA所占比例的定量分析(K)(n=5)。(L、M)采用组织学染色检测梗死后心肌纤维化:心脏组织切片Masson染色和天狼星红染色的代表性全景及高倍图像(L);I/R后第7天,CLO或CLO+TEC处理小鼠左心室纤维化面积比例的统计分析(M)(n=4)。(N、O)采用免疫荧光染色检测心肌细胞凋亡:TUNEL(绿色)和DAPI(蓝色)共染心肌组织的代表性共聚焦图像(N);I/R后第3天,CLO或CLO+TEC处理小鼠心肌细胞凋亡比例的定量统计结果(O)(n=3)。(P、Q)采用Western blot验证凋亡相关蛋白表达:心肌组织裂解物中BAX和cleaved caspase-3的代表性免疫印迹图像(P);I/R后第3天,CLO或CLO+TEC处理小鼠心脏中BAX和cleaved caspase-3表达的定量统计分析(Q)(n=4)。所有图表数据均以均值±SEM表示。*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,****P<0.0001;ns表示差异无统计学意义。
TEC抑制巨噬细胞RNA感知通路、IFN-I和ROS产生并保护心肌细胞
为解析TEC改善I/R损伤的机制,研究人员从接受生理盐水或TEC处理的I/R小鼠左心室中分选CD45⁺细胞,并进行RNA-seq分析。基因本体(Gene Ontology,GO)富集结果显示,IFN-I通路,尤其是IFN-β依赖的信号通路,是两组之间差异最显著的免疫通路。
CCK-8实验显示,浓度不超过60 μM的TEC不影响RAW264.7细胞活力,因此后续体外实验选择20和40 μM TEC。研究人员分别使用双链RNA(dsRNA)和双链DNA(dsDNA)刺激骨髓来源巨噬细胞(bone marrow-derived macrophages,BMDMs),诱导IFN-I产生。TEC预处理可剂量依赖性降低双链RNA类似物聚肌胞苷酸[poly(I)]刺激后BMDMs中的 Cxcl10 和 Ifnb1 mRNA水平,但对双链DNA类似物poly(dA)刺激引起的反应没有明显抑制作用。这提示TEC主要通过调控巨噬细胞的细胞质RNA感知通路影响IFN-β释放。
poly(I)刺激显著提高RAW264.7细胞内总ROS和线粒体ROS(mtROS)水平,而20或40 μM TEC均可明显抑制ROS及mtROS产生。Western blot进一步显示,两种浓度的TEC均能抑制poly(I)诱导的MDA5表达,以及TBK1和IRF3磷酸化。
在BMDMs与成年小鼠原代心肌细胞共培养体系中,poly(I)刺激使心肌细胞cleaved caspase-3和BAX水平显著升高,提示心肌细胞凋亡增加;TEC预处理则可逆转上述变化,表明TEC能够减轻poly(I)诱导的心肌细胞凋亡。
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图3:鸢尾黄素(TEC)抑制巨噬细胞细胞质RNA感知通路的激活及I型干扰素(IFN-I)反应。(A)I/R后第3天,从生理盐水或TEC处理小鼠左心室中分选CD45⁺细胞并进行RNA测序(RNA-seq)的实验流程示意图。(B)生理盐水组与TEC组差异表达基因的GO富集分析,突出显示主要功能通路。(C)采用细胞计数试剂盒-8(CCK-8)检测0、10、20、40、60、80、100、120、140和160 μM TEC处理后RAW264.7细胞的活力。(D、E)检测TEC对聚肌胞苷酸[poly(I)]诱导的BMDMs下游炎症基因表达的调控作用:BMDMs经二甲基亚砜(DMSO)或20、40 μM TEC预处理5小时后,再以10 μg/mL poly(I)刺激24小时,检测 Cxcl10(D)和 Ifnb1(E)mRNA水平(n=6~9)。(F、G)检测TEC对poly(dA)诱导的BMDMs炎症性转录反应的调控作用:BMDMs经DMSO或20、40 μM TEC预处理5小时后,再以10 μg/mL poly(dA)刺激24小时,检测 Cxcl10(F)和 Ifnb1(G)mRNA水平(n=6~9)。(H、I)采用流式细胞术检测细胞总ROS水平:ROS荧光强度的代表性叠加直方图(H);DMSO、poly(I)或TEC处理RAW264.7细胞中ROS平均荧光强度(MFI)的定量统计分析(I)(n=6)。(J、K)采用线粒体超氧化物(MitoSOX)荧光染色检测线粒体超氧化物水平:MitoSOX染色RAW264.7细胞的代表性共聚焦图像(J);DMSO、poly(I)或TEC处理细胞中线粒体超氧化物荧光强度的定量统计分析(K)(n=6)。(L、M)Western blot检测BMDMs中的MDA5、磷酸化TBK1(p-TBK1)/TBK1和磷酸化IRF3(p-IRF3)/IRF3:目标蛋白的代表性免疫印迹图像(L);BMDMs经20或40 μM TEC预处理5小时后,再以10 μg/mL poly(I)刺激24小时,各蛋白相对表达水平的定量统计分析(M)(n=6)。(N)BMDMs与成年小鼠原代心肌细胞共培养实验流程示意图。(O、P)Western blot检测共培养心肌细胞中的凋亡相关蛋白:心肌细胞裂解物中BAX和cleaved caspase-3的代表性免疫印迹图像(O);与TEC预处理BMDMs共培养的成年小鼠原代心肌细胞中BAX和cleaved caspase-3的定量统计分析(P)(n=6)。所有图表数据均以均值±SEM表示。*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,****P<0.0001;ns表示差异无统计学意义。MACs:磁激活细胞分选;rRNA:核糖体RNA;FITC:异硫氰酸荧光素;GM-CSF:粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子;BMMs:骨髓单个核细胞。
TEC通过上调BHLHE41抑制IFIH1转录和IFN-I产生
为明确TEC如何下调细胞质RNA感知通路并减少IFN-I产生,研究人员对poly(I)刺激前接受DMSO或TEC预处理的BMDMs进行了RNA-seq。热图和火山图显示,TEC组 Ifnb1 显著下调,而 Bhlhe41 显著上调。基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis,GSEA)和GO富集分析进一步证实,TEC显著抑制巨噬细胞中的IFN-β信号。
BHLHE41是一种转录抑制因子,也是单核细胞来源巨噬细胞的重要调节蛋白。免疫荧光染色显示,TEC处理的I/R小鼠心脏巨噬细胞中BHLHE41表达明显升高。qPCR和Western blot结果进一步证实,TEC显著提高poly(I)刺激BMDMs中的 Bhlhe41 mRNA和BHLHE41蛋白水平。
为判断BHLHE41是否通过抑制 IFIH1 转录负向调控MDA5依赖的RNA感知通路,研究人员采用电穿孔法将 Bhlhe41 siRNA转染至RAW264.7细胞。敲低 Bhlhe41 后,poly(I)诱导的MDA5蛋白表达以及TBK1、IRF3磷酸化均显著增强,Ifnb1 和 Cxcl10 mRNA水平也明显升高。
挽救实验显示,TEC预处理能够降低MDA5表达、TBK1/IRF3磷酸化以及 Ifnb1 和 Cxcl10 mRNA水平。双荧光素酶报告实验进一步表明,过表达BHLHE41可显著抑制 IFIH1 启动子驱动的荧光素酶活性,但对下游细胞因子 CXCL10 和 IFNB1 启动子活性没有显著影响,说明BHLHE41在该过程中主要特异性抑制 IFIH1 转录。上述结果表明,TEC通过上调转录抑制因子BHLHE41,抑制MDA5依赖的RNA感知和IFN-I信号。
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图4:鸢尾黄素(TEC)上调碱性螺旋-环-螺旋家族成员e41(BHLHE41),抑制干扰素诱导的解旋酶C结构域蛋白1(IFIH1)的转录,并负向调控巨噬细胞中IFN-β的产生。(A)TEC处理或未处理的poly(I)刺激BMDMs中差异表达基因(DEGs)的热图。(B)显著差异表达基因的火山图,筛选标准为|倍数变化|>2、错误发现率(FDR)<0.05。(C)富集程度最高的GO条目。(D)GSEA显示,细胞对IFN-β反应通路的标准化富集分数(NES)为−2.9(FDR<0.001,P<0.001)。(E、F)小鼠心肌I/R损伤后BHLHE41与巨噬细胞标志物CD68的双重免疫荧光共染:心脏切片中BHLHE41(红色)和CD68(绿色)的代表性荧光共定位图像(E);生理盐水或TEC处理的I/R小鼠心脏切片中BHLHE41⁺CD68⁺双阳性细胞比例的统计学定量结果(F)(n=3)。(G)接受或未接受TEC及poly(I)处理的BMDMs中 Bhlhe41 mRNA水平。(H、I)Western blot检测TEC和poly(I)对BMDMs中BHLHE41蛋白表达的调控作用:BHLHE41的代表性免疫印迹图像(H);接受或未接受TEC及poly(I)处理的BMDMs中BHLHE41蛋白表达水平的定量统计分析(I)(n=6)。(J、K)Western blot验证敲低 Bhlhe41 对poly(I)激活的MDA5信号通路的影响:RAW264.7细胞中MDA5、p-TBK1/TBK1和p-IRF3/IRF3的代表性免疫印迹图像(J);转染阴性对照siRNA(si-NC)或si-Bhlhe41,并接受或未接受10 μg/mL poly(I)刺激24小时后,各蛋白相对表达水平的定量统计分析(K)(n=4~6)。(L)转染si-NC或si-Bhlhe41的RAW264.7细胞经TEC预处理或未处理,再接受或不接受10 μg/mL poly(I)刺激24小时后,Cxcl10 和 Ifnb1 mRNA水平(n=6)。(M、N)Western blot验证敲低 Bhlhe41 后TEC对MDA5通路的调控作用:RAW264.7细胞中MDA5、p-TBK1/TBK1和p-IRF3/IRF3的代表性免疫印迹图像(M);细胞转染si-NC或si-Bhlhe41,经TEC预处理或未处理后,再以10 μg/mL poly(I)刺激24小时,各蛋白相对表达水平的定量统计分析(N)(n=6)。(O)人胚肾293T(HEK293T)细胞共转染BHLHE41过表达质粒和 IFIH1 启动子驱动的萤火虫荧光素酶报告质粒后进行双荧光素酶报告实验(n=4)。所有图表数据均以均值±SEM表示。*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,****P<0.0001;ns表示差异无统计学意义。DAPI:4′,6-二脒基-2-苯基吲哚;DMSO:二甲基亚砜;rRNA:核糖体RNA;pCMV:巨细胞病毒启动子质粒。
多维度靶标鉴定确认OXCT1是TEC的直接结合蛋白
为寻找TEC调控BHLHE41及其下游MDA5依赖性RNA感知通路的直接靶点,研究人员采用有限蛋白水解偶联质谱技术(limited proteolysis-coupled mass spectrometry,Lip-SMap)筛选TEC结合蛋白。结果共发现461条可能与TEC相关的肽段,其中254条上调、207条下调,提示其对应蛋白可能是TEC的直接靶点。京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析显示,差异蛋白主要富集于代谢相关通路,其中OXCT1对应肽段的组间差异最显著。
Pull-down实验显示,生物素标记的TEC能够沉淀OXCT1,证实两者存在物理相互作用。细胞热迁移分析(cellular thermal shift assay,CETSA)进一步显示,TEC能够提高BMDMs中OXCT1的热稳定性。表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)分析显示,TEC与重组OXCT1具有较强结合能力,平衡解离常数KD为6.03×10⁻⁶ M。
分子对接结果提示,OXCT1的ASN320、GLU344、TRP413和GLY422可与TEC形成氢键,TYR115则可形成π-π相互作用,周围氨基酸产生的范德华力进一步将TEC稳定于结合口袋中。
分子动力学模拟显示,OXCT1及TEC-OXCT1复合物的构象在20 ns后趋于稳定,此后均方根偏差(RMSD)波动小于2 Å。TEC-OXCT1复合物的回转半径(Rg)小于OXCT1单独存在时的回转半径,表明TEC结合后可使蛋白结构更加紧密。复合物的溶剂可及表面积(SASA)在模拟过程中保持稳定,并低于OXCT1单独存在时的水平,说明TEC结合减少了蛋白的溶剂暴露。结合口袋区域第320~426位残基的均方根波动(RMSF)较小,TEC在整个100 ns模拟期间始终稳定存在于该口袋中。
研究人员选取体系稳定后10 ns的轨迹进行分子力学/广义玻恩表面积(MM/GBSA)分析,测得TEC-OXCT1复合物的平均结合自由能为−40.19 kcal/mol。能量景观分析同样证实,TEC可与OXCT1形成高度稳定的复合物。
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图5:3-氧代酸辅酶A转移酶1(OXCT1)是鸢尾黄素(TEC)的直接结合靶点。(A)有限蛋白水解偶联质谱(Lip-SMap)实验流程示意图。(B、C)Pull-down实验验证TEC与OXCT1在不同细胞中的直接结合:BMDMs(B)和HEK293T细胞(C)中Pull-down实验结果的代表性免疫印迹图像(n=3)。(D、E)采用CETSA验证TEC-OXCT1在细胞内的结合:不同温度梯度下CETSA的代表性免疫印迹图像(D);BMDMs经温度梯度处理后剩余OXCT1蛋白相对含量的定量统计结果(E)(n=3)。(F)采用SPR测定TEC与OXCT1之间的结合亲和力。(G)采用分子对接和分子动力学模拟评价TEC与OXCT1的结合模式。(H~K)表征TEC-OXCT1结合稳定性的分子动力学模拟参数:均方根偏差(RMSD)(H)、回转半径(Rg)(I)、溶剂可及表面积(SASA)(J)和均方根波动(RMSF)(K)。(L)以RMSD为序参量构建TEC-OXCT1复合物的构象能量景观,自由能单位为千卡/摩尔(kcal/mol)。DMSO:二甲基亚砜;PK:蛋白酶K;MS:质谱;IP:免疫沉淀;IB:免疫印迹;KD:平衡解离常数;RU:响应单位。
TRP413是TEC与OXCT1特异性结合的关键残基
通过MM/GBSA进行结合自由能分解后发现,OXCT1的TYR115、ILE323和TRP413等残基对结合自由能绝对值的贡献超过1.0 kcal/mol,提示这些残基可能具有关键作用。丙氨酸扫描突变和蛋白质相互作用指纹分析显示,TEC-OXCT1相互作用主要依赖范德华力、疏水相互作用及π-π堆积,其中TYR115、ILE323、MET402和MET419对复合物稳定性尤为重要。
根据上述预测,研究人员构建了野生型OXCT1以及两种突变体:突变体1(MUT1,TYR115A/ILE323A/MET402A/MET419A)和突变体2(MUT2,TYR115A/ILE323A/TRP413A)。在转染MUT1质粒的HEK293T细胞中,生物素标记的TEC仍能Pull-down OXCT1;而在表达MUT2的细胞中,TEC不能再沉淀OXCT1。
CETSA结果显示,TEC可显著且呈温度依赖性地提高野生型OXCT1的热稳定性。MUT1细胞中仍可观察到TEC增强OXCT1热稳定性的作用,但强度较野生型减弱;MUT2细胞中则完全丧失了这种作用。序列比对还显示,TRP413在不同物种间高度保守。综合分子动力学模拟、SPR、Pull-down和CETSA结果可以确认,TEC主要通过TRP413与OXCT1形成稳定结合。
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图6:鸢尾黄素(TEC)特异性结合3-氧代酸辅酶A转移酶1(OXCT1)的TRP413位点。(A)采用分子力学/广义玻恩表面积(MM/GBSA)方法计算变构位点氨基酸残基的能量分解结果。(B)通过丙氨酸扫描突变计算关键残基突变为丙氨酸后TEC与OXCT1之间亲和力的变化。(C)在HEK293T细胞中采用Pull-down实验检测TEC与OXCT1突变体的结合(n=3)。(D、E)在转染野生型(WT)OXCT1质粒的HEK293T细胞中,采用CETSA检测TEC-OXCT1的结合:不同温度梯度下CETSA的代表性免疫印迹图像(D);温度梯度处理后剩余OXCT1蛋白相对含量的定量统计结果(E)(n=3)。(F、G)通过CETSA验证第一组关键氨基酸位点突变后TEC-OXCT1结合的变化:转染突变体1(MUT1)质粒的HEK293T细胞中CETSA的代表性免疫印迹图像(F);TEC处理后剩余OXCT1蛋白丰度的定量统计分析(G)(n=3)。(H、I)通过CETSA验证第二组关键氨基酸位点突变后TEC-OXCT1结合的变化:转染突变体2(MUT2)质粒的HEK293T细胞中CETSA的代表性免疫印迹条带(H);TEC处理后剩余OXCT1蛋白丰度的定量统计分析(I)(n=3)。(J)不同物种OXCT1蛋白中TRP413周围氨基酸序列的保守性分析。IP:免疫沉淀;IB:免疫印迹;DMSO:二甲基亚砜。
TEC促进OXCT1经溶酶体途径降解并调控BHLHE41/MDA5轴
OXCT1是酮体分解代谢的核心限速酶,可介导辅酶A基团由琥珀酰辅酶A转移至乙酰乙酸,生成乙酰乙酰辅酶A。Western blot显示,在poly(I)刺激前以20或40 μM TEC预处理BMDMs,可显著降低OXCT1蛋白水平。
为分析OXCT1的功能,研究人员通过电穿孔将si-Oxct1转染至RAW264.7细胞。敲低 Oxct1 显著减少poly(I)刺激后的ROS和mtROS水平,降低 Ifnb1 和 Cxcl10 mRNA表达,同时提高 Bhlhe41 mRNA水平。Western blot显示,敲低 Oxct1 可降低MDA5蛋白表达和TBK1/IRF3磷酸化,同时显著增加BHLHE41蛋白表达。
随后,研究人员使用蛋白合成抑制剂放线菌酮(cycloheximide,CHX)、蛋白酶体抑制剂MG132和溶酶体抑制剂氯喹(chloroquine,CQ)分析OXCT1的降解途径。CHX追踪实验显示,TEC显著加快OXCT1降解。CQ可以逆转这一过程,而MG132不能产生相同作用,说明TEC主要通过溶酶体而非蛋白酶体途径促进OXCT1降解。
共聚焦成像显示,TEC处理后OXCT1与溶酶体标志物LAMP1的共定位增加。在HEK293T细胞中,与表达野生型OXCT1的细胞相比,表达MUT2的细胞中LAMP1与Flag-OXCT1共定位明显减少。此外,在过表达MUT2 OXCT1的细胞中,TEC无法下调MDA5依赖的RNA感知通路,也不能上调BHLHE41。这进一步说明,TEC的作用依赖其与野生型OXCT1的结合。
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图7:鸢尾黄素(TEC)促进3-氧代酸辅酶A转移酶1(OXCT1)降解,并抑制巨噬细胞中碱性螺旋-环-螺旋家族成员e41(BHLHE41)/黑色素瘤分化相关蛋白5(MDA5)轴介导的I型干扰素(IFN-I)产生。(A、B)Western blot检测poly(I)刺激条件下TEC对BMDMs中OXCT1蛋白表达的影响:OXCT1的代表性免疫印迹图像(A);BMDMs经20或40 μM TEC预处理后,再以10 μg/mL poly(I)刺激24小时,OXCT1相对表达水平的定量统计分析(B)(n=6)。(C、D)采用流式细胞术检测敲低 Oxct1 后RAW264.7细胞的总ROS水平:ROS荧光强度的代表性叠加直方图(C);转染si-NC或si-Oxct1并接受DMSO或poly(I)处理的RAW264.7细胞中ROS平均荧光强度(MFI)的定量统计分析(D)(n=6)。(E)转染si-NC或si-Oxct1并接受或不接受10 μg/mL poly(I)刺激24小时后,RAW264.7细胞中 Bhlhe41 mRNA水平(n=6)。(F)相同处理条件下RAW264.7细胞中 Cxcl10 和 Ifnb1 mRNA水平(n=6)。(G、H)Western blot验证敲低 Oxct1 对MDA5-IFN-I信号通路的调控作用:RAW264.7细胞中MDA5、p-TBK1/TBK1、p-IRF3/IRF3和BHLHE41的代表性免疫印迹图像(G);转染si-NC或si-Oxct1并接受或不接受10 μg/mL poly(I)刺激24小时后,各蛋白相对表达水平的定量统计分析(H)(n=6)。(I、J)Western blot分析CHX处理条件下TEC对OXCT1蛋白降解速率的影响:RAW264.7细胞经100 μg/mL CHX处理指定时间后,不同时间点OXCT1的代表性免疫印迹图像(I);整个处理期间OXCT1蛋白丰度变化趋势的定量统计结果(J)(n=3)。(K、L)Western blot验证poly(I)刺激RAW264.7细胞中TEC对OXCT1降解途径的调控:使用自噬/溶酶体抑制剂氯喹(CQ)和蛋白酶体抑制剂MG132干预后OXCT1的代表性免疫印迹图像(K);接受或未接受TEC处理的poly(I)刺激RAW264.7细胞中OXCT1相对降解水平的定量统计分析(L)(n=4)。(M)免疫荧光和共聚焦成像显示,接受或未接受TEC处理的RAW264.7细胞中溶酶体相关膜蛋白1(LAMP1,红色)与OXCT1(绿色)的共定位。(N)DMSO组和TEC组LAMP1与OXCT1共定位Pearson相关系数的统计分析(n=6)。(O)免疫荧光和共聚焦成像显示,转染野生型(WT)或突变体2(MUT2)质粒的HEK293T细胞中LAMP1(红色)与OXCT1(绿色)的共定位。(P)WT组和MUT2组LAMP1与OXCT1共定位Pearson相关系数的统计分析(n=6)。所有图表数据均以均值±SEM表示。*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,****P<0.0001;ns表示差异无统计学意义。FITC:异硫氰酸荧光素;rRNA:核糖体RNA。
酮体通过提高Bhlhe41 mRNA稳定性抑制IFN-I产生
β-HB是循环中含量最高的酮体。OXCT1活性或表达降低会限制乙酰乙酸消耗,提高细胞内乙酰乙酸浓度,并推动可逆反应向β-HB生成方向移动。与假手术组相比,心肌I/R小鼠的血清β-HB水平明显下降;TEC处理则显著提高I/R小鼠的循环β-HB水平。
体外实验中,poly(I)刺激使BMDMs内β-HB水平显著下降,而TEC预处理可恢复细胞β-HB水平。向BMDMs中补充外源性β-HB或AcAc,均可降低poly(I)刺激后的ROS和mtROS水平。qPCR显示,β-HB或AcAc可降低 Ifnb1 和 Cxcl10 mRNA水平,同时提高 Bhlhe41 mRNA表达。Western blot进一步显示,两种酮体均可下调MDA5、抑制TBK1/IRF3磷酸化并上调BHLHE41。
mRNA稳定性实验显示,与单独使用poly(I)刺激相比,TEC、β-HB或AcAc处理均能显著延长 Bhlhe41 mRNA半衰期,而poly(I)本身不会改变其稳定性。这说明酮体能够提高巨噬细胞内 Bhlhe41 mRNA的稳定性。
鉴于N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)修饰可能影响BHLHE41 mRNA的功能,研究人员采用deepSRAMP算法进行预测。结果显示,Bhlhe41 mRNA 3′非翻译区(3′-UTR)的第4231位点是可信度最高的潜在功能性m6A位点。
采用Epi-SELECT m6A位点鉴定试剂盒并结合α-酮戊二酸依赖性双加氧酶FTO辅助验证后发现,与poly(I)对照组相比,TEC、β-HB或AcAc处理均显著降低 Bhlhe41 第4231位点的m6A修饰水平。这提示,该位点m6A修饰减少可能与 Bhlhe41 mRNA稳定性增强有关。
进一步将si-Oxct1和si-Bhlhe41共同转染RAW264.7细胞发现,与单独敲低 Oxct1 相比,同时敲低 Oxct1 和 Bhlhe41 可重新提高 Ifnb1 和 Cxcl10 mRNA水平,并增强MDA5表达及TBK1/IRF3磷酸化。综上,巨噬细胞内酮体升高可减少ROS、稳定 Bhlhe41 mRNA并抑制MDA5依赖的RNA感知通路,最终减少IFN-I产生。
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图8:外源性补充β-羟基丁酸(β-HB)和乙酰乙酸(AcAc)可提高碱性螺旋-环-螺旋家族成员e41(Bhlhe41)mRNA的稳定性,并下调黑色素瘤分化相关蛋白5(MDA5)依赖的RNA感知通路。(A)假手术组、I/R组和I/R+TEC组小鼠外周血清β-HB水平的统计结果(n=6)。(B)BMDMs经DMSO或20、40 μM TEC预处理5小时后,再以10 μg/mL poly(I)刺激24小时,检测细胞裂解液中的β-HB水平(n=6)。(C、D)采用流式细胞术检测RAW264.7细胞总ROS:ROS荧光强度的代表性叠加直方图(C);RAW264.7细胞经5 mM β-HB或5 mM AcAc预处理,并接受或不接受10 μg/mL poly(I)刺激24小时后,ROS平均荧光强度(MFI)的定量统计分析(D)(n=6)。(E)BMDMs经5 mM β-HB或5 mM AcAc预处理,并接受或不接受10 μg/mL poly(I)刺激24小时后,Bhlhe41 mRNA水平(n=6)。(F)相同处理条件下BMDMs中 Cxcl10 和干扰素β1(Ifnb1)mRNA水平(n=6)。(G、H)Western blot验证β-HB和AcAc对MDA5-IFN-I信号通路的调控作用:BMDMs中MDA5、p-TBK1/TBK1、p-IRF3/IRF3和BHLHE41的代表性免疫印迹图像(G);细胞经5 mM β-HB或5 mM AcAc预处理,并接受或不接受10 μg/mL poly(I)刺激24小时后,各蛋白相对表达水平的定量统计分析(H)(n=6)。(I)放线菌素D(actinomycin D,ACTD)处理后采用实时定量PCR(RT-qPCR),分析RAW264.7细胞在20 μM TEC、5 mM β-HB或5 mM AcAc处理以及接受或不接受10 μg/mL poly(I)刺激条件下,Bhlhe41 转录本的mRNA半衰期(t1/2)。将各时间点标准化后的剩余mRNA比例进行log10转换,并与时间拟合线性回归模型;随后反向转换为标准指数非线性回归模型,计算最终衰减速率。在完整线性回归模型中采用t检验比较两条斜率,即mRNA衰减速率(n=4)。(J、K)采用基于单碱基延伸的定量N6-甲基腺苷检测(SELECT)分析RAW264.7细胞中 Bhlhe41 转录本的m6A富集:Bhlhe41 m6A修饰检测的代表性实验结果图像(J);RAW264.7细胞经20 μM TEC、5 mM β-HB或5 mM AcAc处理,并以10 μg/mL poly(I)刺激后,Bhlhe41 mRNA上m6A修饰相对富集水平的定量统计结果(K)(n=6)。所有图表数据均以均值±SEM表示。*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,****P<0.0001;ns表示差异无统计学意义。FITC:异硫氰酸荧光素;rRNA:核糖体RNA;Rn:标准化报告信号。
髓系细胞特异性敲除Oxct1验证TEC的关键作用靶点
为验证OXCT1在心肌I/R损伤中的调控作用,研究人员构建了髓系细胞特异性 Oxct1 敲除(Oxct1^mKO)小鼠。超声心动图显示,与Oxct1^flox/flox对照小鼠相比,Oxct1^mKO小鼠的LVEF和LVFS均显著升高,提示心功能得到改善。
为判断TEC是否通过靶向OXCT1发挥心肌保护作用,研究人员进一步比较了接受或未接受TEC处理的Oxct1^mKO小鼠。结果显示,TEC不能进一步提高Oxct1^mKO小鼠的LVEF和LVFS。TTC-Evans Blue染色显示,与Oxct1^flox/flox小鼠相比,Oxct1^mKO小鼠的IA/AAR比值明显降低;但在Oxct1^mKO小鼠中,TEC不能进一步缩小梗死面积。
Masson和天狼星红染色显示,Oxct1^mKO小鼠的心脏纤维化显著减轻,提示不良心肌重构受到抑制;而Oxct1^mKO+TEC组的胶原沉积与Oxct1^mKO组相当。I/R后第3天,Oxct1^mKO小鼠的凋亡心肌细胞明显减少,cleaved caspase-3和BAX表达也低于对照组;在敲除小鼠中加入TEC并不能进一步降低TUNEL阳性心肌细胞数量。
H&E染色显示,Oxct1^mKO小鼠心脏中的炎症细胞浸润显著减少,TEC同样不能产生额外改善。左心室白细胞免疫表型分析显示,Oxct1^mKO小鼠中CD45⁺细胞、巨噬细胞和Ly6C⁺单核细胞浸润减少,而中性粒细胞浸润没有明显变化。巨噬细胞亚群分析显示,Oxct1^mKO小鼠心脏中的巨噬细胞向修复型表型转变,促炎型巨噬细胞比例下降。
与此一致,Oxct1^mKO小鼠左心室组织中 Cxcl10、Ifnb1、Il6 和 Il1b mRNA水平均明显下降。在BMDMs中,敲除 Oxct1 可降低poly(I)诱导的 Cxcl10 和 Ifnb1 表达,且TEC预处理不能进一步增强这一作用。
这些结果表明,在髓系细胞缺失OXCT1的情况下,TEC对心功能、梗死面积、纤维化、细胞凋亡和炎症均不再产生叠加保护效应。巨噬细胞OXCT1缺失可通过减少IFN-I产生和抑制炎症反应减轻心肌I/R损伤,也进一步证明OXCT1是TEC发挥心肌保护作用的关键靶点。
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图9:鸢尾黄素(TEC)通过靶向3-氧代酸辅酶A转移酶1(OXCT1)抑制I型干扰素(IFN-I)并减轻心肌缺血/再灌注(I/R)损伤。(A、B)不同干预组心脏收缩功能的超声心动图分析:Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠LVEF和LVFS的代表性超声心动图(A);I/R后第3天两种基因型小鼠LVEF和LVFS的统计学定量结果(B)(n=6)。(C、D)采用TTC-Evans Blue双重染色评价心肌梗死面积:缺血心肌的代表性染色图像(C);I/R后第3天,Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠左心室AAR和IA所占比例的定量分析(D)(n=6)。(E、F)采用组织学染色检测梗死后心肌纤维化:心脏组织切片Masson染色和天狼星红染色的代表性全景及高倍图像(E);I/R后第7天,Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠左心室纤维化面积比例的统计分析(F)(n=4)。(G、H)采用免疫荧光染色检测心肌细胞凋亡:TUNEL(绿色)和DAPI(蓝色)共染心肌组织的代表性共聚焦图像(G);I/R后第3天,Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠心肌细胞凋亡比例的定量统计结果(H)(n=4)。(I、J)采用Western blot验证凋亡相关蛋白表达:心肌组织裂解物中BAX和cleaved caspase-3的代表性免疫印迹图像(I);I/R或假手术后第3天,Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠心脏中BAX和cleaved caspase-3表达的定量统计分析(J)(n=4)。(K)I/R后第3天,Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠心脏切片H&E染色的代表性组织病理学图像。(L)I/R后第3天,对Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠左心室中的CD45⁺细胞、Ly6G⁺中性粒细胞、巨噬细胞和Ly6C⁺单核细胞进行定量分析(n=6)。(M)I/R后第3天,Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠左心室CD45⁺细胞中促炎型巨噬细胞(CD45⁺CD11b⁺Ly6G⁻Ly6C⁺F4/80⁺CD206⁻)和修复型巨噬细胞(CD45⁺CD11b⁺Ly6G⁻Ly6C⁺F4/80⁺CD206⁺)的比例(n=6)。(N)I/R后第3天,Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠左心室中 Cxcl10、Ifnb1、白细胞介素6(Il6)和 Il1b mRNA水平(n=6)。(O)Oxct1^flox/flox和Oxct1^mKO小鼠来源的BMDMs经TEC预处理或未处理后,再以10 μg/mL poly(I)刺激24小时,检测 Cxcl10 和 Ifnb1 mRNA水平(n=6)。所有图表数据均以均值±SEM表示。*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001,****P<0.0001;ns表示差异无统计学意义。rRNA:核糖体RNA;DMSO:二甲基亚砜。
【贡献】★★★★★
本研究首次证明,TEC可以直接靶向OXCT1,通过调控酮体代谢重编程巨噬细胞,并上调转录抑制因子BHLHE41。BHLHE41进一步抑制编码MDA5的 Ifih1 启动子转录活性,从而减少IFN-β产生,减轻I/R后的心肌炎症反应。
这些结果为开发基于TEC的心肌I/R损伤干预策略提供了实验依据,并为寻找潜在药物靶点及理解其作用机制提供了初步线索。
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